天然气脱水原理课程介绍

天然气脱水原理天然气脱水原理课程介绍第1页脱水必要性

天然气在加压、降温过程中,当到达其水露点时,其中气相水就会以游离水形式析出,假如又处于其水合物生成线以下区域时,天然气中烃类组分还要和水生成水合物。所以,CNG中含水量脱不到要求时,将带来以下危害：天然气脱水原理课程介绍第2页储存压力下减压温降时，生成水合物，堵塞管道、气瓶嘴、充气嘴等，使加气站在较低环境温度下不能实现正常加气，汽车在严寒气候条件下无法开启和运行。当环境温度等于或低于0℃时，析出游离水将结冰而冻结系统设备和管道。已符合酸性环境一个条件，只要CNG中硫分压超出0.00035MPa，加气站内接触CNG金属设备、管道就到达了硫化氢应力开裂(SSC)条件，这是十分危险,一旦加气站和(或)汽车载压力容器发生SSC,其后果就不堪构想。另外,即便硫分压达不到SSC条件,但因为游离水存在,也要产生严重内壁腐蚀。天然气脱水原理课程介绍第3页常见脱水方法1、吸附脱水法

吸附脱水法是利用吸附剂对水分吸附性能，如硅胶，活性氧化铝和分子筛等，它们对水分有很强吸附能力。吸附剂吸湿过程是物理改变，所以这类吸附特点是能够再生。这类吸附干燥度能够到达常压露点-70℃。天然气脱水原理课程介绍第4页2、潮解脱水法潮解时干燥器也是利用吸附剂对水分吸附性能，只不过潮解式吸附剂在吸附水分后，变成液态排出，潮解后吸附剂不能再生，而且会对环境造成污染这类脱水装置能够到达-38℃左右露点。天然气脱水原理课程介绍第5页3、冷冻式脱水法

冷冻式脱水法是利用制冷压缩机产生冷量对压缩天然气进行冷却，使压缩天然气温度降低到达其压力对应露点温度，从而使压缩天然气中水分析出，到达干燥目标。这类脱水法干燥度可到达常压露点-23℃。天然气脱水原理课程介绍第6页4、膜分离脱水法

利用膜分离技术对压缩天然气进行脱水，是一个极有前途脱水方式，压缩天然气经过中空纤维薄膜时，各种物质渗透压不一样，使水从压缩天然气中分离出来，从而到达干燥效果。天然气脱水原理课程介绍第7页吸附法脱水一、吸附式脱水原理

即使冷冻式脱水装置工作稳定、能耗低，在处理高含湿量及较大气流量时性能好，但其只能将压力露点降到2~8℃左右。当要求压力露点降到更低时，吸附式干燥设备基本上是唯一选择。

“吸附”是两相交界面上物质分子浓度自动发生改变自然现象。吸附过程机理很复杂，当前相关吸附原理理论在解释吸附作用时都存在一定不足。普通将吸附体系分为吸附剂和吸附质。含有一定吸附能力材料叫吸附剂，被吸附物质叫吸附质。对于吸附式干燥器，常采取硅胶、活性氧化铝，分子筛作为吸附剂。而存在于压缩天然气中水蒸汽则为吸附质。天然气脱水原理课程介绍第8页吸附分类按吸附剂表面与吸附质分子间作用力不

同将吸附分为：物理吸附化学吸附天然气脱水原理课程介绍第9页物理吸附

物理吸附作用力为范德华力。因为分子间范德华力作用，促使吸附质向吸附剂渗透。（化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面分子产生电子转移或形成化合物）压缩天然气吸附干燥过程属物理吸附，其特点以下：

天然气脱水原理课程介绍第10页吸附作用力小，被吸附气体分子比较轻易重返气相，较轻易“解吸”。物理吸附过程是可逆，吸附和解吸速度都很快。吸附过程为放热反应，其放出“吸附热”比化学吸附少得多。物理吸附无选择性，任何固体都能够吸附任何气体，仅在吸附量不一样。物理吸附与凝固相关，只有在低于被吸附物质沸点时吸附过程才能进行。天然气脱水原理课程介绍第11页依据再生时压力及温度条件状态，将吸附分为：1、变温吸附2、变压吸附天然气脱水原理课程介绍第12页变温吸附在常温下进行吸附，而在较高温度下进行解析，从而恢复吸附剂吸附功效。变压吸附在较高吸附质分压力下进行吸附，而在较低压力（甚至真空）下进行解析。天然气脱水原理课程介绍第13页等温吸附线在温度一定情况下各种吸吸附剂在不一样压力状态下吸附性能天然气脱水原理课程介绍第14页水在分子筛上等压吸附线在压力一定情况下，吸附量与温度改变关系天然气脱水原理课程介绍第15页总结吸附温度降低和水蒸气分压提升，可增加吸附量有利于吸附过程进行。再生温度升高和水蒸气分压降低，有利于再生过程进行。天然气脱水原理课程介绍第16页吸附相关概念及参数1．吸附平衡

压缩空气与多孔固体吸附剂相接触时，水分子碰到固体吸附剂表面后被吸附。与此同时，被吸附水分子因为本身分了热运动与外界气态分子碰撞，有一部分水分子又离开固体表面而返回气相中。当被吸附水分子数等于离开吸附剂表面水分子数量时，到达吸附平衡。吸附平衡是动态平衡，在宏观上吸附不再产生，但微观上吸附与解吸仍在进行。天然气脱水原理课程介绍第17页

2、吸附量

吸附量分为静吸附量与动吸附量。静吸附量为吸附剂与吸附质到达充分平衡，即吸附平衡时，单位质量吸附剂所吸附气体量，单位为：kg水/kg吸附剂。

对于吸附式干燥器而言，将干空气与水蒸气视为“两元”混合物，当干燥器出口端空气到达预定“露点”值时，所吸附水蒸气量占塔内充填吸附剂重量白分比为吸附剂动吸附量，此值为吸附干燥器设计主要基本参数。天然气脱水原理课程介绍第18页3、吸附热

吸附热是吸附质与吸附剂接触时产生热效应。如上所述，吸附过程为放热过程，解析过程为吸热过程，吸附热可比较准确地表示吸附剂活性及吸附能力强弱。下表为惯用吸附剂对水蒸气吸附热。

天然气脱水原理课程介绍第19页常见压力单位换算表天然气脱水原理课程介绍第20页吸附剂在吸附式干燥设备中，吸附剂是确保设备吸附性能主要原因。吸附剂普通为比表面积很大，孔隙率很高物质。吸附剂应含有以下条件：有很强吸附能力，比表面积大。与吸附质及其它与之相接触介质不发生化学反应。机械强度与热强度好。易再生，不易劣化。可大量生产，价格低。天然气脱水原理课程介绍第21页常见吸附剂种类

硅胶硅胶是一个高活性、可再生固体吸附剂。含有高微孔结构，颗粒坚硬，中性；含有较高热稳定性和较稳定化学惰性，对液相和气相介质有根强吸附性能。硅胶有天然也有些人工合成用于压缩天然气吸附干燥硅胶为人工合成。粗孔硅胶粒子尺寸大，排列疏松，外观为硬玻璃状，半透明无光泽不规则颗粒，孔径为(80-100)×10-10m，比表面积为500㎡/g，对高湿度气体吸附率较大。天然气脱水原理课程介绍第22页

细孔硅胶粒子尺寸小，排列紧密，外观为硬玻璃状，半透明无光泽不规则颗粒，孔径为20×10-10m．比表面积可达700㎡/g，对低湿度气体吸附率较大。当硅胶吸附气体中水分时，可达自重50%。在湿度为60%空气流中细孔硅胶吸湿量也可达硅胶自重24%。硅胶吸水后放热可使温升达100℃，在实际应用中，硅胶吸附水分不应超出自重6%-8%。细孔硅胶再生温度为I80-200℃，最低不低于150℃，最高不超出250℃。超出260℃将使硅胶降低干燥能力。粗孔硅胶再生温度最高不超出400℃。硅胶再生时，应注意逐步提升温度，可控制在每分钟不超出10℃。硅胶缺点为吸附水气在凝成水滴或碰到液态水时，颗粒易破碎，尤其在有压力时更显著。所以，在压缩天然气吸附式干燥器中，较少用硅胶作吸附剂。天然气脱水原理课程介绍第23页活性氧化铝活性氧化铝（Al2O3·nH2O）在600℃以下脱水，制成过渡态Al2O3，颗粒度为3-7mm，白色，机械强度和耐热性都较高，浸入水中不软、不胀，不裂，比表面积为300㎡/g.有很高吸附能力。用于压缩空气干燥时，每1m³空气含水量可降到0.005g/m³，相当于露点为-

64℃，进塔再生温度为230-280℃。当入口温度为-20℃时，其吸附效果最正确，是压缩空气吸附干燥器惯用吸附剂。天然气脱水原理课程介绍第24页分子筛分了筛是一个高效能、高选则性吸附剂，对极性分子和不饱和分子含有优先吸附能力。对水分子含有尤其高亲和力。用分子筛干燥气体普通可到达低于-75℃露点。对于流速大、温度高气体和液体，也含有很强干燥能力，惯用4A、5A成3X型分子筛，其比表面积均在700㎡/g以上。分子筛再生温度较高，工业上普通取分子筛再生温度为150-300℃，若要经过分子筛完全再生来提供--85~-100℃露点，其再生温度为315-375℃。分子筛缺点为机械强度不高，抗水滴性能不强，在压力作用下易破碎。在处理水分负载较高压缩空气时，可与氧化铝或硅胶联合使用，即用氧化铝或硅胶对压缩空气进行先期干燥，再用分子筛对压缩空气进行深度干燥。天然气脱水原理课程介绍第25页天然气脱水原理课程介绍第26页吸附剂平衡湿容量与相对湿度关系天然气脱水原理课程介绍第27页吸附剂种类密度（kg/L）机械强度导热率/([w/(m·k)]比热容/[J/(kg·k)]孔隙率（%）平均孔径/nm堆积密度真比重硅胶0.4~0.71.2较高0.1972100343~5020~40活性氧化铝0.7~0.82.3~3.3高0.1306104545~5040~50分子筛0.721.1强度有限0.5889752454.8惯用吸附剂物理特征天然气脱水原理课程介绍第28页吸附剂种类进气含水量（×10-6）出气含水量（×10-6）吸附量TSA再生温度/℃静态动态进塔离塔最高硅胶160~2408~1030~505~8180~22080~140300活性氧化铝160~2401~3224~6230~280100~150350分子筛160~2401~3228~15320~370120~200475惯用吸附剂吸水/脱水性能天然气脱水原理课程介绍第29页惯用吸附剂使用条件

吸附剂类型吸附容量水滴稳定性热强度碱性介质酸性介质价格低分压高分压硅胶低高不稳定较差不良良低活性氧化铝低高稳定高良不良较贵分子筛高高不稳定高良不良较贵天然气脱水原理课程介绍第30页吸附剂耐热温度吸附剂名称耐热温度产地活性氧化铝600中国活性氧化铝Neobead650日本活性氧化铝AlCoa600美国活性氧化铝Pechihey400法国硅胶250日本分子筛MS4a650美国分子筛MS5a250美国分子筛Zeojon-H800法国天然气脱水原理课程介绍第31页脱水装置分类CNG脱水装置按安装位置可分为：前置脱水、级间脱水、后置脱水。前置脱水是指安装在压缩机前面；级间脱水安装在压缩机2、3级压缩缸之间；后置脱水安装在压缩机之后。天然气脱水原理课程介绍第32页前置脱水特点1.性能特点1.1.再生工艺为零排放闭式循环，外置电加热再生。1.2.进口配置过滤器，过滤精度≤3μm，有效保护吸附剂不被液体浸泡、污染，延长吸附剂使用寿命；出口配置粉尘过滤器，能过滤精度3μm粉尘，保护后续压缩机正常工作。1.3.再生系统采取无油润滑增压机驱动循环再生，循环增压机配有气液过滤器，对分离后气体再实施分离，使再生循环气更洁净。1.4.气水分离器含有重力和过滤双重分离，分离效果好。气水分离器后设储液罐。1.5.控制系统：PLC程控包含恒温控制，文本显示，控制参数输入经处理后显示在液晶屏上，并确保设定程序自动控制循环风机、加热器、冷却器、以及防冻保温装置正常工作。配有就地仪表和室内控制仪表，以及远传控制仪表。再生冷却器、循环增压机、电加热器启停均能实现电气联锁控制和手动单独控制，且手动优先。1.6.安全保护功效：加热器筒体及出口设温度保护功效；电机设有热保护、短路保护，电气设有短路和漏电保护。1.7.电机采取隔爆异步电动机，符合1类区D组防爆要求及GB50058标准。1.8.吸附剂充裕量1.3倍。天然气脱水原理课程介绍第33页2.结构特点2.1.吸附塔包裹保温材料后外包裹不锈钢装饰板，抗腐蚀性好且美观、漂亮。2.2.整体式电热元件采取材质为不锈钢1Cr18Ni9Ti，电加热管表面发烧功率到达2.0W/㎝2。2.3.脱水装置出口设置露点分析仪取样口。2.4.吸附塔上设置就地显示压力表及温度计，显示吸附塔工作压力、工作温度；再生系统中安装有温度表、压力表和热电偶，可将再生加热器出口，冷却器出口温度及吸附塔再生气出口温度远传到控制室；控制柜上安装有电压表、电流表、PLC控制仪表。2.5.装置上全部电气设备均为防爆设计。现场防爆等级ExdⅡBT4,防护等级IP54。2.6.全部外接管口接到橇边。2.7.吸附塔设有分子筛专用装卸口，分子筛更换方便、快捷。2.8.再生系统中有安全阀。2.9.吸附塔、再生气加热器及其高温管线均做保温处理。2.10.脱水装置橇装结构、装置使用寿命。天然气脱水原理课程介绍第34页后置脱水特点性能特点1．吸附和再生阀采取美国进口高温高压不锈钢针形阀，可降低开启阀门瞬时对吸附剂冲击，延长吸附剂使用寿命。2．三级过滤方式。前置采取两级过滤，粗过滤器配国产不锈钢滤芯，使用寿命长，阻力低，可清洗再生使用。精过滤器配德国进口除油滤芯，过滤精度达0.01μm，保护吸附剂不被液体浸泡、污染，延长吸附剂使用寿命。后置过滤精度达1μm，更有效保护压缩机进气质量。3．高压容器和低压电加热器之间采取安全隔离装置，可预防误操作而产生人身伤亡、设备损毁。4.严格按压缩机排气温度及压力状态饱和水含量进行吸附塔设计。5．电加热器功率充裕量1.3倍，缩短加热时间，确保有效可靠加热，总能耗不变。同时采取单体式不锈钢电加热管，可单根独立更换。天然气脱水原理课程介绍第35页6.电器控制系统采取PLC控制，含有数字显示并可实现电加热器自动监控。温控柜主要电气元件选取德国SIEMENS及韩国LG产品，该类品牌产品性能好，可靠性高。加热器出口及加热器筒体温度控制采取智能仪表辅助控制、PLC主控制方式，可按设定程序控制工作，温度参数可重新设置、调整。整个加热器加热工作由PID进行调整，以到达自动恒温控制目标。温控柜中设有电加热器过电流及短路保护；有上述设备电流指示，同时设置自动断电及报警功效。装置电气系统设有防爆接线箱。装置内电气均为防爆连接。用电设备防爆等级为：ExdⅡBT4，防护等级：IP54。7.吸附剂采取中美合资4A型分子筛，平衡水容量大，吸附效果好，确保成品气质量。分子筛充裕量1.3倍，能适应气质改变。天然气脱水原理课程介绍第36页8.再生气加热时冷却采取联合换热冷却器，利用干气减压所产生冷量来冷却再生热气，同时使电加热器进气温度升高，方便快速加热至所需温度。降低加热时间，节约能源。9.装置设有专用再生冷吹管路，节约冷吹时间和气量。10.调压装置管路无冰堵设计。11.过滤器为双排污设计，延长排污阀使用寿命。12.全部管路均为GB/T14976不锈钢管，且吸附和再生管路为焊接管接件连接，使装置安全可靠。天然气脱水原理课程介绍第37页结构特点1．吸附塔包裹保温材料后外包裹不锈钢皮，美观、漂亮。2．工艺管线布置简练紧凑、美观，并可靠固定。3．脱水装置出口设置露点分析仪取样口。4．吸附塔设有吸附剂装卸口。5．再生系统中设有安全阀。6．吸附塔、再生气加热器等设备及其连接管线均作保温处理，防止热损失和热烫伤。天然气脱水原理课程介绍第38页前后置脱水装置比较处理量依据原料气压力和含水量，前置脱水每小时可处理500~15000Nm3,吸附周期为40000~45000方；后置脱水每小时可处理500~3000Nm3,吸附周期为40000~24000方；天然气脱水原理课程介绍第39页吸附剂前置脱水因为吸附周期长，再生次数相对降低，又未被压缩机工作时产生漏油污染，吸附剂使用寿命较长。但因为装填量较后置脱水大，一旦更换吸附剂，一次性维护费用大。而后置脱水则相反。天然气脱水原理课程介绍第40页再生方式普通前置脱水均采取闭式循环再生工艺，可不受压缩机是否开机限制。其中又分降压和不降压两种。降压再生是指利用再生管路内余气，经放空降压后进行加热再生，该种方式普通在进站管网压力≤0.5MPa时采取；不降压再生是指直接利用再生管路内余气进行加热再生，而不再需经降压方式，该种方式可降低CNG站再生时一次性集中排放量，降低安全隐患。普通在进站管网压力在0.5MPa以上时采取。

天然气脱水原理课程介绍第41页后置脱水再生取气方式当前可分为三种：从成品干气中取气，经降压后进行再生，最终回到压缩机前端管网内。该取气方式，再生气质好，不污染吸附剂，再生效果好。从压缩机级间取气再生，最终回到压缩机前端管网内。此种方式多用于国产压缩机中，因为压缩机在工作时产生漏油，对吸附剂污染严重，造成吸附剂寿命缩短。从管网分压下高压处取气再生，最终回到管网分压下低压处。此种方式受管网分压影响大。普通管网分压应考虑在0.2MPa以上压差。天然气脱水原理课程介绍第42页加热方式前置脱水可采取内置和外置两种加热方式。内置式加热保温效果好，可缩短加热时间；但内置式因为加热时散热由内向外，所以靠近电加热管吸附剂受热温度高，寿命缩短，且电加热管更换较困难。外置式加热则相反。后置脱水因受压力限制，当前普通均采取外置加热方式。天然气脱水原理课程介绍第43页再生冷却方式前置脱水再生气冷却可采取水冷或风冷式，普通北方或缺水地域采取风冷，而南方或水源充分地域采取水冷。风冷或水冷均需配置对应风机或水泵、冷却塔、循环水池。后置脱水再生气冷却可采取水冷、风冷或自然式冷却。自然式冷却，不另配置任何电源或从属建筑物，与其它冷却方式比，一年可节约运行成本18250元。

天然气脱水原理课程介绍第44页处理后成品气质前置脱水处理天然气易受天然气气质影响，若来气含水量不稳定，会影响脱水效果，同时，因为天然气经压缩机压缩后(尤其是国产压缩机)有时会带出一些杂质，会影响车用气质量。后置脱水是在压缩机后进行脱水处理，处理后天然气不会再受二次污染，使车用质量稳定。天然气脱水原理课程介绍第45页前期投入成本前置脱水处于压缩机前端，所以进入压缩机气体为纯净干气，可延长压缩机使用寿命。但体积大，前期投入成本高；后置脱水处于压缩机后端，体积小，前期投入成本低。天然气脱水原理课程介绍第46页维护费用前置脱水因为压力低，除更换吸附剂一次性维护费用大外，普通性维护费用低。后置脱水普通性维护费用较高。天然气脱水原理课程介绍第47页脱水效果分析

影响CNG气质水露点达标主要原因有四点：1、吸附不理想1）设计时选择吸附剂不合理。当相对湿度大或水含量高时，最好先用活性氧化铝、硅胶预脱水，再用分子筛脱水除气体中残余水蒸气，以到达深度脱水目标。天然气脱水原理课程介绍第48页2）吸附剂质量差。吸附剂抗压碎强度差时易粉化，再生次数寿命短；静态吸附湿容量小，吸附性能差。3)气体在吸附塔内流速过快或过慢。不然，流速过快，会造成份子筛在工作时发生跳动，造成床层高度不一，气流短路；流速过慢，压降过小，经过床层气流分布不均匀，影响吸附效果。天然气脱水原理课程介绍第49页4）接触时间过短。依据经验参见空气出口水分含量与接触时间关系，接触时间确定为6秒以上较为适当。

天然气脱水原理课程介绍第50页5)进气温度过高。因为进气温度高，首先降低了吸附剂吸附性能，另首先增大了饱和水量。天然气脱水原理课程介绍第51页6)气质差，有油或重烃。因为天然气中有时含有H2S及CO2等成份，油又大多呈酸性或中性，而分子筛抗酸性也不太好，因而吸附性能也会降低。且当油包裹吸附剂造成吸附孔隙堵塞，使吸附性能直线下降。重烃存在极易出现反常凝析，因而又可能在采取冷却镜面凝析湿度计法进行露点检测时，对检测结果进行干扰。天然气脱水原理课程介绍第52页2、再生不完全1)再生温度低。多数吸附剂厂家资料表明，再生温度在180－300℃范围，综合性价比及实际运行来看，确定再生温度为200－220℃较为合理。2)再生时间不够或再生不能在要求时间内连续进行。造成重复加热，既浪费能源，又不能到达应有再生温度保温时间。3)再生压力过低，造成再生气量过小。由Q＝cmΔt可知，再生气量过小，则提供热量太少。4)再生压力过高。压力过高，则需要汽